JTI-rapport Kretslopp & Avfall 46 Utvärdering av gårdsbiogasanläggning med mikroturbin för kraftvärmeproduktion Nils Brown Mats Edström Mikael Hansson Per-Anders Algerbo
JTI-rapport Kretslopp & Avfall 46 Utvärdering av gårdsbiogasanläggning med mikroturbin för kraftvärmeproduktion An evaluation of a farm scale biogas plant with a microturbine for combined heat and power production Nils Brown, Mats Edström, Mikael Hansson Per-Anders Algerbo, HIR Malmöhus 2010 Citera oss gärna, men ange källan. ISSN 1401-4955
3 Innehåll Förord... 5 Sammanfattning... 7 Summary... 8 Bakgrund... 9 Gårdsanläggningen på Hagavik... 9 Jämförelse med gårdsbaserad biogasproduktion i Tyskland... 10 Elproduktion med mikroturbin... 10 Syfte... 11 Metod... 11 Beskrivning av gården och biogasanläggningen... 11 Analyser för biogasprocessen... 12 Intensivmätning av processenergi... 12 Substrat... 12 Medverkande och arbetsuppgifter... 13 Resultat... 13 Produktion i biogasanläggning... 13 Rötrestsammansättning... 15 Processenergi och kraftvärmeanläggningens effektivitet... 15 Processenergi... 15 Verkningsgrad... 16 Stillestånd och medeleffekt... 17 Analogi: Samrötning mellan spannmål och gödsel... 17 Ekonomi... 18 Förutsättningar till kalkyler... 18 Produktionskostnad för biogas och elektricitet... 19 Produktionskostnad för analogifall... 20 Diskussion och slutsatser... 21 Referenser... 22 Personliga meddelanden... 23
4 Bilaga 1. Uppföljning av rötningsprocessen... 25 Bilaga 2:1. Biogasanläggningens behov av processenergi... 33 Bilaga 2:2. Kraftvärmeproduktion med en mikroturbin... 43 Bilaga 3. Anläggningsbeskrivning... 51 Bilaga 4. Utsläpp av klimatgaser... 57 Bilaga 5. Analogi... 59 Bilaga 6. Underhåll och arbetstid... 61 Bilaga 7. Ekonomi... 63
Förord JTI har tillsammans med HIR Malmöhus, Turbec och Hagavik gård medverkat i denna utvärdering av en gårdsbaserad biogasanläggning på Hagavik gård i Malmö. Ägaren av gården, Krister Andersson, tog rötningsdelen i anläggningen i drift under 2003 och år 2006 kompletterades anläggningen med en mikroturbin från Turbec för kraftvärmeproduktion. Uppföljningen av driften vid gårdsanläggningen har löpt under perioden april 2007 till april 2009 och har genomförts av följande personer. Nils Brown, JTI, teknisk utvärdering och biologisk uppföljning. Mats Edström, JTI, projektledning. 5 Mikael Hansson, JTI, biologisk uppföljning och länk till EU-projektet Agrobiogas. Johnny Ascue, JTI, analyser. Åke Nordberg, JTI, biologisk uppföljning. Per-Anders Algerbo, HIR Malmöhus, ekonomikalkyler. Jan Magnusson, Turbec, har medverkat under intensivmätning av mikroturbinen samt genomfört underhåll och modifieringar. Krister Andersson, Hagavik, löpande drift av biogasanläggningen och dokumentation av processdata, provtagning vid rötningsprocess, medverkan vid teknisk utvärdering, beskrivning av gårdens produktionsinriktning och ekonomiska förutsättningar. Projektet har huvudsakligen finansierats av Stiftelsen Lantbruksforsknings FUDprogram för bioenergi. Finansieringen av uppföljning av anläggningens biologiska och tekniska funktion under andra kvartalet 2007 kom dock via EU-projektet Agrobiogas. Turbec har finansierat sina egna kostnader. Till alla finansiärer och medverkande ber JTI att få framföra ett varmt tack. Ett särskilt tack riktas till Krister Andersson, som på ett mycket aktivt sätt bidragit till att denna uppföljning har varit möjlig att genomföra. Uppsala i mars 2010 Lennart Nelson VD för
Sammanfattning Syftet med projektet var att 7 utvärdera en gårdsbaserad biogasanläggning som drivs med energirika substrat med hög rötkammarbelastning och gasproduktion och där gasen används för kraftvärmeproduktion via en mikroturbin. ta fram teknisk, biologisk och ekonomisk dokumentation som kan utgöra ett beslutsunderlag för lantbrukare som undersöker förutsättningarna för att investera i en biogasanläggning på gården för kraftvärmeproduktion. Gården Hagavik utanför Malmö har en åkerareal på 170 ha där det bedrivs ekologisk växtodling av spannmål (40 %), oljeväxter (20 %) samt specialgrödor och gröngödsling (på vardera 20 %). Anläggningen har en aktiv rötkammarvolym på 450 m 3 som drivs vid ca 37 o C. Kraftvärmeproduktionen sker med en mikroturbin som har en eleffekt på 105 kw och en termisk effekt på 160 kw. El levereras ut på nätet och värmen används för torkning av grödor och uppvärmning av två bostäder. Anläggningen har rötat kycklinggödsel och två externa energirika råvaror från livsmedelsindustrin. Efter en period med ett antal biologiska driftstörningar har processen stabiliserats och en hög specifik rötkammarbaserad biogasproduktion på 3 m 3 /m 3 &d har uppnåtts vid ammoniumkvävehalter på 5-6 g/l i rötkammaren, se tabell 1. Investeringen har totalt varit 4,7 Mkr (uppräknat till 2009 års penningvärde exklusive investeringsbidrag). Producerad värme ersätter ca 15 m 3 olja på gården inklusive uppvärmning av bostäder och detta värderas i den ekonomiska kalkylen till 100 kkr/år. På gården finns bara avsättning för delar av anläggningens värmeproduktion. Anläggningens produktionskostnad för el blir strax under 70 öre/kwh, om rötresten värderas till ca 100 kr/ton och med 30 % investeringsbidrag. Rötrestvärderingen påverkar dock starkt produktionskostnaden för biogas och därmed också för el. En lantbrukares betalningsvilja för rötresten beror på tillgången av alternativa gödselmedel och hur effektiva gödselmedlen är i växtodlingen. En rötrest med hög växtnäringskoncentration förbättrar totalekonomin. Att driva en substratoptimerad rötningsprocess medför ett effektivt anläggningsutnyttjande, vilket leder till en högre produktion av energi och växtnäring samt en lägre produktionskostnad för energin. En substratoptimerad biogasprocess kräver dock mer driftövervakning.
8 Tabell 1. Beräknade årsmedelvärden för anläggningen baserat på data från 7 månaders drift i följd vid gårdsanläggningen på Hagavik. 7 månaders uppföljning Enhet Gasproduktion, rågas 3,2 m 3 gas/m 3 reaktor & dag Gasproduktion 2663 MWh/år El-produktion 730 MWh/år Tillfört substrat 3140 ton/år TS-halt, substratblandning 21 % av våtvikt Uppehållstid i rötkammare (utflödet som bas) 64 Dagar Rötrestproduktion 2560 ton/år Total kvävemängd i rötrest 24,4 ton/år Fosfor i rötrest 3,4 ton/år Kalium i rötrest 4,3 ton/år Resultatet av studien indikerar att det idag finns goda möjligheter att få lönsamhet på en biogasinvestering för lantbrukare med ekologisk växtodling, om det finns tillgång till energi- och växtnäringsrika råvaror för rötning till låg kostnad. För en växtodlare med konventionell inriktning balanseras intäkterna mot kostnaderna. I detta fall blir avkastningen på gjord investering väldigt låg och dagens kraftigt svängande priser på energi och växtnäring gör att en konventionell växtodlare mer noggrant ska analysera de möjligheter och risker som investeringen medför. Summary The purpose of this study was to: To evaluate a farm scale biogas plant digesting energy and nutrient rich substrates at a high organic loading rate and biogas production using the biogas for combined heat and power production with a microturbine Put together technical, biological and economical documentation which can help farmers to investigate presumption to invest in a farm scale biogas plant for heat and power production. The farm scale biogas plant has an active digester volume of 450 m3 and the process temperature is ca 37oC. A microturbine with 105 kw electrical and 160 kw thermal power is used for heat and power production. The produced electricity is sold to the grid and the heat is used on the farm for drying grain and heating two houses. The plant is digesting poultry manure and 2 substrates from the agriculture industry. All together the plant is digesting 3140 metric tons of substrates/yr and the substrates costs 160 k SEK/yr (production figures, see table 1).
9 Table 2. Calculated production figures for the farm scale plant Hagavik during the evaluation. Production Unit Biogas production 2,8 Nm 3 biogas/m 3 active digester & day Biogas production 2663 MWh/year Electrical production 730 MWh/year Substrate 3140 tons/year Dry matter content, substrate 21 % of wet weight Organic loading rate 3,8 kg VS/m 3 & day Hydraulic retention time, digester (outflow) 64 days Ammonia nitrogen in digestate 5,5 kg/ton Total nitrogen in digestate 9,5 kg/ton Dry matter content in digestate 6 % of wet weight Digestate production 2560 tons/year Digestate production 2560 tons/year Nitrogen in digestate 24,4 tons/year Phosphorus in digestate 3,4 tons/year Potassium in digestate 4,3 tons/year Total investment for the plant is 4.7 M SEK. Produced head reduces the oil consumption at the farm with 15 m 3 (value 100 k SEK/yr). There is a surplus of heat production of 600 MWh/yr. The production cost for the electricity is close to 0,66 SEK/kWh based on a value of the digestate of 100 SEK/ton together with an investment susidy of 30 %. The production cost for the electricity is strongly depending on the value of the digestate. Hagavik is a crop production farm based on organic farming. If the valuation of the digestate is reduced to 50 SEK/ton, the production cost for the electricity increases to approx. 0.84 SEK/kWh. Bakgrund Gårdsanläggningen på Hagavik På Hagaviks gård utanför Malmö, uppfördes under 2003 en gårdsbaserad biogasanläggning dimensionerad för en produktion på 600 m 3 biogas/d, motsvarande 1,3 GWh/år. Anläggningen drevs initialt på vallgröda, betblast och hästgödsel men efter utvärderingen 2003/2004 (Edström m.fl., 2005) har dessa substrat ersatts av fjäderfägödsel samt stärkelse- och proteinrika restprodukter från livsmedelsindustrin. Detta har möjliggjort att biogasproduktionen kunnat mer än fördubblats och målet var att anläggningen stabilt skulle producera 3 GWh/år. Sveriges låga ersättningsnivåer för el gör det svårt att få ekonomi i gårdsbaserad kraftvärmeproduktion. Den optimering av produktionen som uppnåddes med de nya substraten var därför en förutsättning för genomförandet av projektet. Vidare gjordes bedömningen att det vid låga ersättningsnivåer för el ger en bättre lönsamhet att investera i en kraftvärmelösning med lägre elektrisk verkningsgrad som har en lägre årlig kostnad än en högre verkningsgrad och högre kostnader. Därför valde lantbrukaren att satsa på en mikroturbin från Turbec, som på pappret
10 verkade uppfylla dessa kriterier, men som saknade referenser från gårdsinstallation med biogas. Jämförelse med gårdsbaserad biogasproduktion i Tyskland Det finns idag ca 4 000 gårdsanläggningar i Tyskland (Köttner, pers. medd.) som tillsammans har en installerad effekt motsvarande en svensk kärnreaktor. El produceras från biogasen med kolvmotor och nybyggda anläggningar har ofta en installerad el-effekt på ca 500 kw. Enligt en större driftuppföljning av 60 gårdsanläggningar i Tyskland (Ergebnisse des Biogas Messprogram, 2005) var variationen i metanproduktion 0,25-1,1 m 3 CH 4 /m 3 aktiv rötkammarvolym och dag. Vidare varierade nyckeltalet för den organiska rötkammarbelastningen mellan 0,45 och 5,7 kg VS/m 3 aktiv volym och dag. Hagaviksanläggningen ligger i denna jämförelse betydligt högre i metanproduktion medan belastningen ligger i nivå med maxvärdet i detta intervall. Elproduktion med mikroturbin Med mikroturbiner avses anläggningar med eleffekt på 10-200 kw (Nymberopoulos, 2004) och de är försedda med avgas/luft-värmeväxlare (s.k. rekuperator), där typiska elverkningsgrader är 25-31 % (Schmid m.fl., 2005). Exempel på fördelar med mikroturbiner är (Nymberopoulos, 2004; Schmid m.fl., 2005; Pedersen, 2004; Bioturbine, 2004): Få rörliga delar och därför låga underhållskostnader Lång livslängd, 60 000 timmar för Turbecs mikroturbin, vilket kan jämföras med en dual fuel dieselmotor där en typisk livslängd anges till 35 000 timmar. Värme kan utvinnas vid hög temperatur, t.ex. kan ånga genereras, temperaturen på rökgaser efter rekuperator är 250-350 o C. Låg ljudvolym, vilket medger installationer i eller i nära anslutning till bebyggelse som nyttjar producerad värme samt lågt behov av smörjmedel. Ger betydligt lägre rökgasemissioner än andra kommersiella tekniker för kraftvärmeproduktion varför rökgaser kan användas för uppvärmning och CO 2 -källa i växthus. Kan drivas på flera bränslen som exempelvis diesel, metanol, etanol, naturgas och biogas, test har även gjorts med rapsolja och förgasat trädbränsle. Tekniken att använda gasdrivna mikroturbiner för att producera el beskrivs som lovande (Schmid m.fl., 2005), men är ännu ej kommersiellt etablerad. Detta beror på att serierna är små, vilket leder till att investeringen i relation till installerad eleffekt är högre än traditionella motorer samt att det återstår teknisk utveckling för att anpassa maskinen till biogas, som är mättad med vattenånga och som kan innehålla höga halter av svavelväte (Nymberopoulos, 2004).
Syfte Syftet med projektet var att 11 utvärdera en gårdsbaserad biogasanläggning som drivs med energirika substrat med hög rötkammarbelastning och gasproduktion och där gasen används för kraftvärmeproduktion via en mikroturbin. ta fram teknisk, biologisk och ekonomisk dokumentation som kan utgöra ett beslutsunderlag för lantbrukare som undersöker förutsättningarna för att investera i en biogasanläggning på gården för kraftvärmeproduktion. Metod Beskrivning av gården och biogasanläggningen Gården Hagavik utanför Malmö har en åkerareal på 170 ha där det bedrivs ekologisk växtodling av spannmål (40 %), oljeväxter (20 %) samt specialgrödor och gröngödsling (på vardera 20 %). I bild 1 redovisas en schematisk beskrivning av biogasanläggningen på Hagavik och dess nyckelkomponenter (se även bilaga 3). Anläggningen har uppförts av det tyska företaget Weltec Biopower och har en aktiv rötkammarvolym på 450 m 3 som drivs mesofilt. Mikroturbinen vid Hagavik biogasanläggning har levererats av det italienska företaget Turbec, och det är den första turbinen (modell T 100) som företaget har installerat på en gårdsanläggning. Mikroturbinen har en eleffekt på 105 kw och en termisk effekt på 160 kw. El levereras ut på nätet och värmen används för torkning av grödor och uppvärmning av två bostäder. Bild 1. Schematisk beskrivning av biogasanläggningen på Hagavik där gasen används för kraftvärmeproduktion via en mikroturbin, se bilaga 3. Illustration: Kim Gutekunst
12 Analyser för biogasprocessen På anläggningen har gaskvaliteten mätts med mätaren Sewerin SR-bio och volymmätning av rågasproduktionen har gjorts med en propellermätare från Elster- Instromet A/S av märket I-50 och QA 65. Vid ett tillfälle användes en massflödesmätare av coriolis-typ för att kalibrera anläggningens volymmätare. Rågastemperaturen liksom temperatur i substratlagertank och utomhustemperatur har loggats med TinyTag loggers från Intab. En mobil ph-meter för fältbruk har använts för att kunna mäta på olika ställen i anläggningen. Prover på rötkammarinnehållet skickades till JTI via post. För analyser av flyktiga fettsyror (VFA) förbehandlades provet enligt Jarvis et al. (1995). Därefter användes en gaskromatograf (Chrompack 9000) för bestämning av det totala innehållet av VFA liksom dess fördelning. Torrsubstans (TS), organiskt innehåll (VS), ammoniumkväve (NH 4 -N) och totala kväveinnehållet (N-total) analyserades enligt APHA s standard methods (1985). Emissionsmätningar på rökgaser från mikroturbinen genomfördes med mätinstrumentet Horiba PG25. Intensivmätning av processenergi Intensivmätningar genomfördes vid biogasanläggningen vid två olika tillfällen för att bestämma behovet av processenergi samt för att beräkna mikroturbinens elektriska och termiska verkningsgrad. Atmosfärstryck under intensivmätningen hämtas från SMHI:s mätstation i Falsterbo (Wingquist, 2008). För att mäta turbinens produktion av el användes anläggningens elcertifikatmätare. Elanvändningen för enskilda maskiner mättes med en tångamperemätare av fabrikatet Metrix: MX240 och för loggning av hela rötningsanläggningens elanvändning användes en 2-fas elmätare. Flödet av varmvatten till rötkammaruppvärmningen mättes med en mätare av märket CBI TA Hydronics och temperaturen på vattnet med Pt100-givare. Substrat Anläggningen har, förutom kycklinggödseln, rötat två externa energirika råvaror (den ena innehåller mycket kolhydrater och den andra mycket proteiner) som genereras vid livsmedelsindustrin. I substratblandningen bidrog kycklinggödseln med ca 25 % av torrsubstansen, 40 % av kvävet, 80 % av fosforn och 15 % av biogasproduktionen, se bilaga 1. Tillgången på dessa externa råvaror är högst begränsad och av konkurrensskäl har vi valt att inte detaljbeskriva dem. I denna rapport väljer vi att slå ihop dessa externa råvaror vid redovisningen av substratflöden och sammansättning. För att få en mer generell tolkning av de uppkomna resultaten har vi valt att genomföra en analogi kopplad till råvaror som är vanligt förekommande inom lantbruket, se kapitel Analogi: Samrötning mellan spannmål och gödsel.
13 Medverkande och arbetsuppgifter JTI har analyserat driftdata, genomfört analyser för driftövervakningen av rötningsprocessen, varit rådgivare för driftstrategier utgående från uppkomna driftresultat samt medverkat under intensivmätningarna. JTI har tillsammans med HIR Malmöhus genomfört de ekonomiska kalkylerna. Ägaren av gårdsanläggningen har dokumenterat driftdata och tagit prover samt medverkat under intensivmätningarna av processenergi och delgivit kalkylförutsättningar utifrån gjorda investeringar. Turbec har medverkat under intensivmätningar av processenergi samt varit en diskussionspartner under utvärderingen av kraftvärmeanläggningen. Turbec har vidare tagit fram underlag för mikroturbinens underhållskostnader, följt upp dess funktion och genomfört modifieringar och justeringar utifrån erhållna driftresultat. Institutionen för mikrobiologi, SLU har via projektet Agrobiogas i ett tidigt skede genomfört analyser för driftövervakningen av rötningsprocessen, varit rådgivare för driftstrategier av rötningsanläggningen samt genomfört analyser på substrat. Resultat Produktion i biogasanläggning I bild 2 visas biogas- och elproduktionen under en 18-månadersperiod. Då uppehållstiderna för de substrat som rötas är väldigt lång (> 60 d; tabell 2) i rötkammaren, är systemet väldigt långsamt på att inta nya jämvikter då justeringar genomförs i substratblandningen. Rötkammarens prestanda har generellt ständigt förbättrats under uppföljningsperioden, i synnerhet under perioden september 2007 fram till september 2008, se bilaga 1. Detta kan tolkas som en gradvis anpassning av processens mikroorganismer till hög belastning och höga ammoniumhalter, 5-6 g/l. Mikroturbinens driftstörningar har generellt varit få och har även minskat med tiden. Det har initialt funnits kapacitetsbegränsningar, men från och med hösten 2008 har alla begränsande komponenter i turbinen bytts ut.
14 4,0 7 månader Gasproduktion (Nm3/m3&d) och Elproduktion (MWh/d) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 18 månader 30 dagar Biogasproduktion Nm3/m3 reaktor&d Elproduktion MWh/d 2009-03-23 2009-01-22 2008-11-23 2008-09-24 2008-07-26 2008-05-27 2008-03-28 2008-01-28 2007-11-29 2007-09-30 Tid, datum Bild 2. Specifik reaktorbaserad biogasproduktion samt daglig elproduktion. Dessa kurvor baserar sig på ett 7-dagarsmedelvärde. Ett årsmedelvärde för olika tidsperioder under uppföljningen redovisas i tabell 2. Tabell 3. Beräknade årsmedelvärden för anläggningens driftdata baserat på uppföljning under 3 olika tidsperioder, se bild 2 och bilaga 1 för definiering av dessa perioder. 18 månaders uppföljning 7 månaders uppföljning 30 bästa dagarna a) Enhet Gasproduktion, rågas b) 2,6 3,2 3,6 m 3 gas/m 3 reaktor & d Gasproduktion, normaliserad c) 1035 1280 1445 Nm3/d Gasproduktion 2147 2663 3001 MWh/år El-produktion 588 730 822 MWh/år Kycklinggödsel 230 225 160 ton/år Externa råvaror 1030 1310 1370 ton/år Vatten d) 1870 1610 1330 ton/år TS-halt, substratblandning d) 18 21 25 % av våtvikt Kväve i substratblandning d) 3,6 3,7 2,9 % av ts Uppehållstid (utflödet som bas) 62 64 74 Dagar Rötkammarbelastning 3,2 3,8 4,2 kg VS/m 3 & d Rötrest d) 2640 2560 2220 ton/år N d) 20,6 24,4 21,2 ton/år P d) 3,3 3,4 2,7 ton/år K d) 4,4 4,3 3,2 ton/år N-tot d) 7,8 9,5 9,6 kg/ton NH4-N d) 4,5 5,5 5,5 kg/ton P d) 1,2 1,3 1,2 kg/ton K d) 1,6 1,7 1,4 kg/ton a) 30 bästa produktionsdagarna i följd b) flöde uppmätt med gasmätare utan att normaliseringskalkyl har genomförts c) normalisering av gasflödet till 0 C och trycket 101,325 kpa d) beräknade data utgående från substratens sammansättning och via massbalanser kopplade till genomförda analyser på rötresten
15 Rötrestsammansättning I tabell 3 redovisas växtnäringsinnehållet på rötrest vid olika tidpunkter. Tabell 4. Växtnäringsinnehåll i rötrest dels på prov taget direkt från rötkammare (samlingsprov från 4 månaders drift), dels från rötrestlager inför spridning (Enheten i tabellen är kg/ton rötrest). Dessa analyser har genomförts av kommersiella laboratorier. TS N-total NH4-N P K S Rötrestlager, vårspridning 2007 62 8,0 4,0 1,0 1,5 Rötrestlager, höstspridning 2007 64 7,6 3,8 1,0 1,4 Rötrestlager, vårspridning 2008 54 7,5 4,8 1,0 2,0 ej analyserad Rötrestlager, vårspridning 2009 73 8,7 5,2 1,1 2,0 0,44 Rötkammare, vår 2008 65 7,2 3,9 1,0 2,2 0,33 Rötkammare, höst 2008 64 8,9 5,9 1,0 1,8 0,35 Processenergi och kraftvärmeanläggningens effektivitet Processenergi Värmebehovet för att driva rötningsprocessen varierar under uppföljningen beroende på hur mycket substrat som rötas och utomhustemperaturen. Rötningsprocessens värmebehov beräknas vara ca 270 MWh/år (alternativet 7 månader) där ca ¾ utgör uppvärmning av ingående substratblandning till rötkammaren och resterande ¼ utgör värmeförluster genom väggar och tak. Det ska noteras att rötkammaren tillförs värme via dess omrörare. Omrörarens värmebidrag beräknas vara ca 20 MWh/år, resterande 250 MWh av värmebehovet kommer från mikroturbinen. För att tillgodose detta värmebehov kommer alltså 92 % av tillförd värme från mikroturbinen och 8 % från rötkammarens omrörare. Ett mer generellt sätt att beräkna anläggningens värmebehov är att dela upp det i följande två delkomponenter. Delkomponent 1, uppvärmning av substrat (inkluderar gödsel, externa substrat och tillfört vatten): 65 kwh värme/ton våtvikt, se bilaga 2. Delkomponent 2, värmeförluster genom väggar vid utomhustemperatur på 10 o C: 195 kwh/dag, se bilaga 2. Elbehovet för hela biogasanläggningen beräknas vara 154 MWh per år och är nästan oberoende av hur mycket biogas som produceras. Av detta elbehov svarar produktionen av biogas (rötkammardrift) för 30 % och kraftvärmeproduktionen (mikroturbindrift) för 70 %, där bränslekomprimering utgör största posten, se tabell 4. Vid driftfall där turbinen drivs långt ifrån dess maxkapacitet bedöms det finnas en betydande möjlighet att minska elbehovet, framför allt för kraftvärmeproduktion genom att exempelvis frekvensstyra bränslekompressorn.
16 Tabell 4. Olika delars bidrag till biogasanläggningens behov av processelektricitet för drift, se bilaga 2. Produktion av biogas Rötning 1) Substrat 2) Gastransport Övrigt 4) 3) Produktion av kraftvärme Bränslekomprimering 5) Övrigt Övrigt 7) turbin 6) 19% 3% 6% 2% 55% 13% 2% 1. Drift av omrörare i rötkammare 2. Drift av omrörare i substratlager samt pump för substrattransport 3. Drift av gasfläkt för transport av biogas från rötningsanläggning till kraftvärmeanläggning 4. Drift av styrdator, belysning, luftfläkt till membranlager, cirkulationspump för rötkammarens värmeförsörjning, ventilationsfläkt i teknikcontainer 5. Bränslekomprimering innan gastillförsel i mikroturbinens brännkammare samt fläkt för luftkylning av denna kompressor. 6. Nödkylarfläkt, pump för kylning av mikroturbin, luftfläkt till turbinen 7. Ventilation av utrymme för kraftvärmeenhet, belysning, cirkulationspump för uppvärmning av bostadshus. Verkningsgrad Under intensivmätningarna bestämdes turbinens brutto-elektriska verkningsgrad till 27,4 % (dvs. turbinens processelbehov har ej dragits bort), men med beaktande av felkällorna beräknas verkningsgraden vara mellan 26,2 % och 28,7 %, se bilaga 2. Mikroturbinens elverkningsgrad varierar med producerad eleffekt, men den bibehåller relativt väl sin verkningsgrad tills belastningen sjunker under ca 30 kw, se bilaga 2. Den termiska verkningsgraden var ca 40 %. Färre mätningar genomfördes för att bestämma den termiska verkningsgraden, varför felet för detta värde är större än intervallet som redovisas för den elektriska verkningsgraden. Det intervall som redovisas för mikroturbinens uppmätta elektriska verkningsgrad beror på osäkerheten i bestämningen av bränsletillförseln till mikroturbinen. De parametrar som påverkar denna bestämning är mätfel i gasvolym- och gaskvalitetsmätning. Mikroturbinen T 100 har varit i drift under 19 000 timmar med biogas och en kraftvärmeanläggnings prestanda kan förväntas sjunka med drifttiden. Detta gör att det inte går att jämföra dessa uppmätta verkningsgrader med vad som redovisas för nytillverkade kraftvärmeanläggningar. Bänktest genomförs också med en gas som är väldefinierad i jämförelse med förhållandena vid anläggningen på Hagavik. Som jämförelse redovisar Colombo et al. (2007) en brutto-elektrisk verkningsgrad på 31,5 % och en termisk verkningsgrad på 44-50 % (beroende på hur mycket rökgastemperaturen kunde sänkas) för en T 100 med naturgas som bränsle.
17 Stillestånd och medeleffekt Vid inledningen av uppföljningen hade turbinen stått stilla under 8 % av perioden. De sista 6 uppföljningsmånaderna hade denna siffra minskat till endast 1 %, se tabell 5. Totalt har turbinen under en 18-månadersperiod stått stilla vid ca 50 tillfällen och den summerade tiden för stillestånd var drygt 630 timmar, se bilaga 2. Vidare kunde turbinen inledningsvis ej drivas vid högre effekt än ca 90 kw, medan den under de sista 6 månaderna gav en effekten över 100 kw under 20 % av drifttiden, se bilaga 2. I tabell 5 redovisas medeleffekten för turbinen under de olika varaktighetsperioderna. Orsaken till att medeleffekten har ökat under de tre 6-månadersperioderna är att gasproduktionen vid anläggningen har ökat och att den tid då turbinen stått stilla har minskat. Tabell 5. Medeleffekt för mikroturbinen under de fyra olika varaktighetsperioderna samt stillestånd. Period Medeleffekt under period (kw) Stillestånd (% av tid) okt 07-mars 09 67,2 5 okt 07-mars 08 55,7 8 april 08-sept 08 63,1 4 okt 08-mars 09 82,8 1 Analogi: Samrötning mellan spannmål och gödsel Erfarenheterna från uppföljningen av Hagavik-anläggningen visar på att en gårdsanläggning mycket väl kan producera en rötkammarspecifik gasproduktion på 3 m 3 biogas/m 3 aktiv rötkammarvolym och dag med ammoniumkvävehalter i rötkammaren på 5,5 g/l slam (jämför tabell 2). Sammansättningen på de substrat som rötas är nyckeln till att nyttja rötkammaren effektivt. Även om tillgången på de substrat som rötas vid Hagavik är begränsad finns det gott om andra energirika substrat som kan ge samma utnyttjande av rötkammaren. Balansen mellan stärkelse och protein i blandningen med de två externa råvarorna liknar väl motsvarande förhållanden för spannmålskärna från exempelvis rågvete. Vi gör bedömningen att de uppkomna resultaten från uppföljningen kan användas för att bedöma hur effektivt det går att driva en spannmåloch gödselbaserad rötningsprocess. För att exemplifiera denna analogi, redovisas massflöden för två alternativ med spannmålsrötning i tabell 6. I det ena alternativet samrötas spannmålen med kycklinggödsel och i det andra med flytgödsel från slaktsvin. I de två alternativen bidrar spannmålen med ca ¾ av gasproduktionen.
18 Tabell 6. Analogi för samrötning mellan antingen svingödsel och spannmål alternativt kycklinggödsel och spannmål i jämförelse med 7-månadersalternativet (jfr tabell 2 samt bilaga 5). Kyckling & spannmål Slaktsvin & spannmål 7-månadersalternativet Gasproduktion 2663 2663 2663 MWh/år Kycklinggödsel 450-225 ton/år Svinflytgödsel - 2900 - ton/år Spannmål 600 670 - ton/år Externa råvaror - - 1310 ton/år Vatten 2170-1610 ton/år TS-halt, substratblandning 25 23 21 % av våtvikt Kväve i substratblandning 3,0 3,0 3,7 % av ts Uppehållstid (bas: utflöde) 64 58 64 dagar Rötrest 2560 2920 2560 ton/år Kväve i rötrest 24,4 24,4 24,4 ton/år Ekonomi I ekonomikalkylerna används data från Hagavik som underlag för att beräkna anläggningskostnaderna, men de använda kostnaderna för arbete, maskiner samt beräkning av kapitalkostnad utgår från Hushållningssällskapets standardkalkyler. Förutsättningar till kalkyler Investeringen har totalt varit 4,7 Mkr (uppräknat till 2009 års penningvärde) och de årliga kostnaderna ca 1,1 Mkr, se tabell 7. Avskrivningstiden har varierat från 8 år till 20 år beroende på om det är maskin- eller byggnadsrelaterade investeringar, och en medelvärdeskalkyl har använts för att beräkna kapitalkostnaden. Tabell 7. Investering och årliga kostnader för drift av biogasanläggning exklusive investeringsbidrag enligt 7-månadersalternativet. I bilaga 7 redovisas underliggande kostnadsposter, men även hur kapitalkostnaderna sjunker om det utgår ett investeringsbidrag på 30 %. Rötning Kraftvärme Summa Enhet Investering 3,0 1,7 4,7 Mkr Kapitalkostnader 0,26 0,22 0,48 Mkr/år Rörliga kostnader 0,45 0,13 0,58 Mkr/år Årliga kostnader 0,71 0,36 1,07 Mkr/år Arbetsinsatsen för att driva biogasanläggningen har varit 430 timmar per år, varav 110 timmar har krävt traktor med lastare. Årliga kostnader för arbete inklusive traktorkostnad har beräknats till 115 kkr/år. Underhållet för rötningsdelen uppskattas till 21 kkr/år utifrån driftåren 2007 och 2008. Baserat på uppgifter från Turbec bedömer vi att underhållskostnaden för kraftvärmeproduktion är 10 öre/kwh producerad el (73 kkr/år).
19 Kostnaden för anläggningens användning av processel har satts till 39 öre/kwh och processvärmen är gratis. Därtill tillkommer kostnader för substrat samt oförutsedda utgifter och försäkring på tillsammans ca 220 kkr/år. Producerad värme ersätter ca 15 m 3 olja på gården inklusive uppvärmning av bostäder. Detta värderas i den ekonomiska kalkylen till 100 kkr/år, vilket motsvarar en värdering av värmen till ca 74 öre/kwh. Produktionskostnad för biogas och elektricitet I bild 3 redovisas hur produktionskostnaden för rågas och el samt mikroturbinens bränslekostnad varierar beroende på hur rötresten värderas. Anläggningens produktionskostnad för el blir 66 öre/kwh, om rötresten värderas till 100 kr/ton (inkl. 30 % bidrag). Detta kan jämföras mot en rörlig ersättning för el levererat till nätet (inkl. spotpris, certifikat och nätnytta) som under 2008 i medel varit 81,7 öre/kwh, men som varierat mellan 61 och 107 öre/kwh. Rötrestvärderingen påverkar starkt produktionskostnaden för biogas och därmed också för el. Spannet i värderingen är beroende på vad man väljer att värdera rötresten mot och vilka förutsättningar som råder på gården, bl.a. konventionell odling alternativt ekologisk odling liksom om det är en växtodlingsgård eller djurgård. Rötresten kan värderas till ca 120 kr/ton innan spridning med rådande priser på handelsgödsel under maj 2009. Samma värdering hade gett ett värde på 190 kr/ton ett halvår tidigare. För en växtodlare med konventionell odling ska hänsyn tas till ökade spridningskostnader mot handelsgödsel, markpackning och växtnäringsutnyttjande vid spridningstillfället samt gröda. Med hänsyn till detta blir växtnäringsvärdet vid gynnsamma spridningstillfällen för exempelvis höstraps ca 85 kr/ton och vårsådd spannmål ca 75 kr/ton. Vid andra spridningstillfällen och grödor kan värdet sjunka ner till 25 kr/ton. Biofer och rötrest har i växtodlingsförsök visat likvärdiga skördeökningar för motsvarande mängd totalkväve i ekologisk odling, med vissa variationer i resultat (Nätterlund, pers. medd.). Utgående från odlingsförsökens resultat, skulle en värdering mot Biofer 10-3-1 ge ett rötrestvärde på 155 kr/ton. I denna värdering har hänsyn tagits till skillnader i spridningskostnad samt skillnader i innehåll av fosfor och kalium mellan Biofer och rötrest.
20 Produktionskostnad för energi (öre/kwh) 100 Rågas, prod kost, bidrag 30% (öre/kwh gas) Bränslepris, bidrag 30% (öre/kwh el) El, prod kost, bidrag 30% (öre/kwh el) 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300-20 -40 Rötrestvärde (kr/ton rötrest) Bild 3. Produktionskostnad för rågas och el samt mikroturbinens bränslepris beroende på rötrestvärdet, utgående från driftfall 7 månaders uppföljning, se tabell 2. Bränslepriset baserar sig på att det vid elproduktion med mikroturbinen åtgår 3,65 kwh rågas för att producera 1 kwh el. Dessa produktionskostnader förutsätter en värmeintäkt på 100 kkr/år (vilket sänker produktionskostnaden för rågas med ca 4 öre/kwh) och en substratkostnad på ca 6 öre/kwh rågas (160 kkr/år). Vidare förutsätts 30 % investeringsbidrag. Utan detta investerings-bidrag ska produktionskostnaden för rågas ökas med ca 3 öre/kwh, bränslepriset med ca 10 öre/kwh och produktionskostnaden för el med ca 20 öre/kwh. Produktionskostnad för analogifall Det har enbart genomförts en beräkning av ekonomiska konsekvenser för analogifallet då spannmål och flytgödsel från slaktsvin samrötas. Dessa kalkyler resulterade i att produktionskostnaden för biogas blir ca 35 öre/kwh om priset för spannmålen är 1,2 kr/kg, inklusive 30 % investeringsbidrag, för en gård med konventionell odling (förutsättningar för kalkylen, se bilaga 5). Om kraftvärmeproduktion sker med samma förutsättningar som vid Hagavik, blir produktionskostnaden för el i detta fall 1,66 kr/kwh. I detta alternativ kommer kostnaden för spannmål att vara 800 kkr/år, vilket utgör mer än hälften av de årliga kostnaderna. Vid Hagavik blir överskottet av värme hela 600 MWh/år som inte genererar någon intäkt. Om det finns avsättning för all producerad värme i analogialternativet med samrötning mellan spannmål och svinflytgödsel, skulle värmeintäkterna kunna sexdubblas till ca 600 kkr/år. I detta fall skulle produktionskostnaden för biogas bli ca 15 öre/kwh och produktionskostnaden för el sjunka till 96 öre/kwh. Det krävs dessutom att anläggningens kostnader sänks med 200 kkr/år (eller att intäkterna från rötrest/värme ökar med detta belopp) för att produktionskostnaden för elektricitet ska bli ca 70 öre/kwh, dvs. lika hög som för Hagavik-kalkylen baserat på 7-månadersalternativet.
21 Diskussion och slutsatser Resultatet av studien indikerar att det med dagens förutsättningar finns goda möjligheter att få lönsamhet på en biogasinvestering för lantbrukare med ekologisk växtodling, om det finns tillgång till energi- och växtnäringsrika råvaror för rötning till låg kostnad. Den ekonomiska kalkylen visar också att en konventionell växtodlare kan få intäkter som kan balansera kostnaderna. I detta fall blir avkastningen på gjord investering väldigt låg och dagens kraftigt svängande priser på energi och växtnäring gör, att en konventionell växtodlare mer noggrant ska analysera de möjligheter och risker som investeringen medför. Att driva en substratoptimerad rötningsprocess medför ett effektivt anläggningsutnyttjande, vilket leder till en högre produktion av energi och växtnäring samt en lägre produktionskostnad för energin. En substratoptimerad biogasprocess kräver dock mer driftövervakning. Vidare påverkar rötrestvärderingen starkt produktionskostnaden för biogas och därmed också för el! Bedömningen är att det finns fortsatt potential att effektivisera driften, framför allt genom att arbeta med att minska svängningarna i gasproduktion, vilket torde kunna resultera i en ökad elproduktion med 10-15 %. En investering i anläggningens substrathanteringsdel kan vara nödvändig för att uppnå detta. Det kan även finnas en möjlighet att öka produktionen av elektricitet om en konventionell anläggning för kraftvärmeproduktion med högre verkningsgrad än en mikroturbin används. Det har dock ej ingått i denna studie att genomföra denna jämförelse. Mikroturbinen genererar ett värmeöverskott på 600 MWh/år. Om det finns avsättning för denna värmemängd förbättrar det den ekonomiska kalkylen. Produktionen av förnyelsebar energi samt ersättning av handelsgödsel med rötrest som gödselmedel leder till minskade utsläpp av klimatgaser. Storleken på denna reduktion av klimatgaser bedöms potentiellt vara 500-600 ton CO 2 -ekvivalenter per år, se bilaga 4. Tyvärr inkluderas inte småskalig kraftvärmeproduktion i dagens handel med utsläppsrätter. En förändring av detta skulle medföra en ökad intäkt med ca 10 %, vilket påtagligt skulle förbättra biogasens konkurrenskraft. Kostnaden för de substrat som rötas påverkar också anläggningsekonomin högst påtagligt. Detta visas i kalkyen för analogialternativet med samrötning mellan spannmål och gödsel från slaktsvin, där produktionskostnaden för biogas har beräknats till ca 35 öre/kwh. Den höga kostnaden för spannmål omöjliggör kraftvärmeproduktion med dagens ersättningsnivå för el. Kalkylen kan förbättras om det finns större avsättning för producerad värme, men även om det finns avsättning för all värme kommer kraftvärmeproduktion ej att vara lönsam. Istället för kraftvärmeproduktion kan rågasen uppgraderas till drivmedelkvalitet. Detta kan vara ett bättre alternativ om gården kan samverka med andra biogasproducenter och därmed sänka uppgraderingskostnaderna. En förutsättning för detta alternativ är att det finns en garanterad avsättning för hela gasproduktionen till en drivmedelsmarknad samt att kostnaden för att nå en drivmedelsmarknad ej är högre än produktionskostnaden för rågasen.
Referenser 22 APHA, A., 1985. Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 16th ed. American Public Health Association, Washington, DC. BHKW-Kenndaten 2005. Energi Referat Stadt Frankfurt Am Main. Verlag Rationeller Erdgaseinsatz Best.-Nr. 05 05 05 Bernesson S. 2004. Farm-scale Production of RME and Ethanol for Heavy Diesel Engines. Agraria 497. SLU, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala. Börjesson P. & Berglund M., 2003. Miljöanalys av biogassystem. Rapport 45, Miljö- och energisystem, Lunds Universitet, Lund. Börjesson P. & Berglund M., 2006. Environmental Analysis of Biogas Systems Part I: Fuel Cycle Emissions. Biomass and Bioenergy 30, 469 485. Börjesson P. & Berglund M., 2007. Environmental systems analysis of biogas systems part II: Environmental impact of replacing various reference systems. Biomass and Bioenergy, 31, 326 344. Bioturbine. 2004. Biofuel-burning Microturbine. ISBN 88-89407-09-3. www.bioturbine.org Colombo, L. P. M., Armanasco, F., Perego, O., 2007. Experimentation on a cogenerative system based on a microturbine. Applied Thermal Engineering 27 - (2007) 705 711. Davis J. & Haglund C., 1999. Life Cycle Inventory (LCI) of Fertiliser Production. SIK-Report No 654 1999. SIK, Göteborg. Dustan A., 2002. Review of methane and nitrous oxide emission factors for manure management in cold climates. JTI-rapport Lantbruk & Industri nr 299., Uppsala. Eder, B. och Schulz, H., 2006. Biogas Praxis. Grundlagen, planung anlagenbau beispiele wirtschaftlichkeit. ISBN 3-936896-13-5. Ökobuch Verlag, Staufen bei Freiburg. Ergebnisse des Biogas-Messprogramms. 2005. Fachagentur Nachwachsende Rohstoff e.v. Gülzow. Tyskland. Edström M., Forsberg M., Johansson C. 2007. Energiutbyte från åkergrödor några exempel från odling till användning. JTI informerar 117. Institutet för jordbruks- och miljöteknik. Uppsala. Edström M.,. Jansson, L.-E., Lantz M., Johasson L.G., Nordberg U., Nordberg Å. 2008. Gårdsbaserad biogasproduktion - System, ekonomi och klimatpåverkan. JTI - Kretslopp & avfall 42. JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik. Uppsala. Edström M., Nordberg Å., Ringmar, A. 2005. Utvärdering av gårdsbaserad biogasanläggning på Hagavik. JTI - Kretslopp & avfall 31. JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik. Uppsala. Jarvis, Å, Nordberg, Å, Mathisen, B., Svensson, B.H., 1995. Stimulation of conversion rates and bacterial activity in a silage-fed two-phase biogas process by initiating liquid recirculation. Antonie van Leeuwenhoek 68, pp 317 327. Martin, J. H., 2007. A Protocol for Quantifying and Reporting the Performance of Anaerobic Digestion Systems for Livestock Manures. USDA Rural Development, U.S. Environmental Protection Agency AgSTAR Program and Association of State Energy Research and Technology Transfer Institutions (ASERTTI). Nymberopoulos N. 2004. Microturbines and their application in bio-energy. EESD Contract No: NNE5-PTA-2002-003/1. www.bioturbine.org
23 Nätterlund, Henrik. HIR Malmöhus. Maj 2009. Schmid J., Krautkremerm B., Müller J. 2005. Biogas-powered Micro-Gas- Turbine; First Results. ISET - Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel. www.mikrogasturbine.de Strömberg B. 2004. Bränslehandboken. Värmeforsk Uppenberg S., Almemark M., Brandel M., Lindfors L-G., Marcus H-O., Stripple H., Wachtmeister A. & Zetterberg L., 2001. Miljöfaktabok för bränslen. Del 1. Huvudrapport (Environmental Data on Fuels. Main Report). IVL Report B1334-2B, Swedish Environmental Research Institute, Stockholm. Personliga meddelanden Börjesson, Pål. LTH, Lunds universitet, mars 2008. Köttner, Michael. IBBK, september 2007. Svensson, Mattias. Turbec R&D AB, november 2006. Winquist, E.-M., 2008. Eva-Marie Winquist, Information och statistik, SMHI. Redovisning över fukt- och temperaturdata för SMHI:s mätstation i Falsterbo 2008-10-08 till 2008-10-09.
Bilaga 1. Uppföljning av rötningsprocessen 25 Driftuppföljningsperioder En generell strategi för driften av anläggningen har varit att aktivt under uppföljningsperioden försöka öka gasproduktionen och därmed kraftvärmeproduktion liksom produktionen av växtnäring (via rötrest för gödsling av gårdens grödor). Tre tidsperioder har definierats från den totala uppföljningsperioden på 18 månader, beroende på den totala gasproduktionen under perioderna: 18 månaders uppföljning (1 okt 2007 31 mars 2009 ): Detta är hela uppföljningsperioden. Gasproduktionen var inledningsvis låg, vilket resulterar i en beräknad årsproduktion på 2147 MWh gas /år. Orsaken till den låga gasproduktionen var dels att rötningsprocessen i början av uppföljningen anpassade sig till den nya substratblandningen, dels tekniska driftstörningar hos mikroturbinen under samma tid. 7 månaders uppföljning (1 sept 2008 21 mars 2009): 7 månaders sammanhängande driftperiod resulterar i en beräknad årsproduktion på 2663 MWh gas /år. En längre period med hög, stabil gasproduktion. Rötningsprocessen har anpassat sig väl till det substrat som rötas och mikroturbinen fungerar väl. 30 dagars uppföljning (6 sept 2008 5 okt 2009): 30 dagars sammanhängande driftperiod med den högsta biogasproduktionen, vilket resulterar i en beräknad årsproduktion på 3001 MWh gas /år. Perioden kan ses som ett mål för framtida driftoptimeringsarbete vid anläggningen, med stabil biogasproduktion vid en hög nivå. Tidsperioderna används som en basis för vidare analys av uppföljningsdata och för ekonomiberäkningar. Substrat I tabell B1:1 redovisas substrattillförseln för de tre driftuppföljningsperioderna. Gasproduktionen vid anläggningen kommer till 84-91 % från externa råvaror och 61-74 % av kvävet i rötresten. Däremot bidrar fastgödseln med merparten av den fosfor och kalium som återfinns i rötresten.
26 Tabell B5:1. Årsmedelvärde för rötade råvaror baserat på tre utvalda perioder under uppföljningen. Mängd Våtviktsandel TSandel N-andel P-andel K-andel CH4 andel av prod. ton/år % av tot % av tot % av tot % av tot % av tot % av tot 18 månader: okt 2007 mar 2009. 2147 MWh gas /år Fastgödsel 230 7 26 39 78 92 16 Externa råvaror 1030 33 74 61 22 8 84 Vatten 1870 60 0 0 0 0 0 Summa 3130 100 100 100 100 100 100 7 månader: sept 2008 mar 2009. 2663 MWh gas /år Fastgödsel 224 7 22 32 72 89 14 Externa råvaror 1313 42 78 68 28 11 86 Vatten 1605 51 0 0 0 0 0 Summa 3142 100 100 100 100 100 100 30 bästa dagarna: 6 sept 2008 5 okt 2008. 3001 MWh gas /år Fastgödsel 161 6 14 26 66 87 9 Externa råvaror 1368 48 86 74 34 13 91 Vatten 1333 47 0 0 0 0 0 Summa 2862 100 100 100 100 100 100 Rötningsprocess I bild B1:1 redovisas den uppmätta gasproduktionen vid anläggningen. Under den intensivstuderade 18-månadersperioden har rågasproduktionen i medel varit 1230 m 3 biogas/d (varierat mellan 200 och 2010 m 3 /d), se tabell B1:2. Relaterat till rötkammarens volym har rågasproduktionen i medel varit 2,7 m 3 biogas/m 3 reaktorvolym och dag, men den har varierat mellan 0,2 och 4,5 m 3 biogas/m 3 reaktorvolym och dag. De stora svängningarna i biogasproduktion bedöms huvudsakligen bero på att 1) det initialt pågick en anpassning av mikroorganismer i rötkammaren till den extrema miljö som råder i rötkammaren, 2) att anläggningen under kortare perioder drivits extensivt kopplat till tidsbrist, sjukdom, semestrar etc., 3) processen har överbelastats då gränserna för vad processen klarar av har testats. Metanhalten har under denna period i medel varit 57,5 % men varierat mellan 41 och 74 %, se bild B1:6. De lägst uppmätta metanhalterna är oftast kopplade till instabilitet i rötningsprocessen och framför allt när metanhalten sjunkit under 50 %. Vidare mättes biogasens innehåll av svavelväte under 1:a kvartalets drift år 2009. Svavelvätehalten var i medel 630 ppm, men varierade mellan 410 och 1400, se bild B1:7. Gasmätaren vid anläggningen har ej visat ett normaliserat gasflöde. Under perioder av uppföljningen har gastemperatur och övertryck mätts vid gasmätaren samt att gasens fuktinnehåll har beräknats. Utgående från detta har biogasen normaliserats genom att reducera uppmätt rågasproduktion med 14 % och därmed i medel varit 1070 Nm 3 /d (varierat mellan 150 och 1760 Nm 3 /d), vilket i medel motsvarar ca 6,0 MWh biogas/d (varierat mellan 0,8 och 10 MWh/d), se tabell B1:2. Anläggningens bruttoproduktion av el har i medel varit 1,6 MWh/d (varierat mellan 0 och 2,4 MWh/d).
27 Tabell B1:2. Rågasproduktion (biogas) Normaliserad produktion (biogas) Biogasproduktion Elproduktion m 3 /d m 3 /m 3 &d Nm 3 /d Nm 3 /m 3 &d MWh/d MWh el/d Medel 18 mån 1230 2,7 1070 2,4 6,0 1,6 Min 200 0,4 150 0,3 0,8 0 Max 2010 4,5 1760 3,7 9,9 2,4 Under denna 18-månadersperiod har rågasproduktionen under drygt 200 dagar varit över det uppställda målet på 3 m 3 /m 3 reaktorvolym och dag, medan den normaliserade gasproduktionen överstigit 3 Nm 3 /m 3 &d under mer än 80 dagar, se bild B1:2. Ts-halten på slammet i rötkammaren var initialt ca 5 % av våtvikten och ökade under utvärderingsperioden till ca 7 %, men uppnådde som högst 7,8 % i rötkammaren, se bild B1:4. Slammets VS-halt var initialt 4 % av våtvikten och ökande till ca 5,5 %, men periodvis överskreds 6 %. Av slammets ts-innehåll utgjordes i medel 80 % av VS (varierade mellan 78 och 86 %). Ammoniumkväveinnehållet har under perioden generellt haft en ökande trend, från ca 3,5 g/l till ca 5,3 g/l, men periodvis har ammoniumhalten överstigit 6 g/l, se bild B1:4. Efter rötningen förelåg i medel 60 % av totala mängden kväve i form av ammoniumkväve (varierade mellan 56 och 65 %). En av de driftbetingelser som styrde driften av rötkammaren var att spädningen med färskvatten vid nya substratblandningar var så stor att ammoniumkvävehalten ej långvarigt skulle överskrida 5,5 g/l. Om detta ändock inträffade, ökades vattenspädningen under en period för att sänka rötningsprocessens ammoniumhalt. Detta gjorde att mängden färskvatten som tillfördes rötkammaren var lika stor som vikten för fastgödseln och externa råvaror tillsammans. Generellt har rötkammarens innehåll av fettsyror (VFA) varit hög under 18- månadersperioden och i medel var halten 3,5 g/l, där acetat utgjorde ca 40 % och propionat 50 % av VFA-innehållet, se bild B1:3. De höga halterna av fettsyror kan dels förklaras av den höga rötkammarbelastningen men också med det höga innehållet av ammoniumkväve. Trots dessa höga VFA-halter uppvisade rötningsprocessen generellt en god stabilitet som bra klarade de variationer i belastningar som naturligt uppstår vid driften av anläggningen. Under mätperioden inträffade en kraftig biologisk driftstörning i slutet av oktober 2007, vilket orsakade en minskning av gasproduktionen, se bild B1:1. Därefter tog det 2-3 veckor innan rötningsprocessen hade stabiliserats och belastningen kunde därefter höjas försiktigt. Under denna period nådde innehållet av flyktiga fettsyror sitt högsta värde hitintills på över 7 g/l reaktorinnehåll samtidigt som metaninnehållet i biogasen nådde sitt lägsta värde på 41 %, se bild B1:3 och B1:6. Processen visade även tecken på instabilitet under juni 2008. Denna störning kan bero på att det under vårbruket 2008 togs ut 100 150 m 3 reaktorinnehåll för att gödsla vårgrödor. Denna mängd ersattes med vatten som sänkte temperaturen i rötkammaren. Belastningen var därför tvungen att sänktes, vilket resulterade i en betydande sänkning av gasproduktionen, bild B1:1.
28 Gasproduktionen under september 2008 har varit mycket hög (i medel ca 1450 Nm3/d under en månads drift) och processtabiliteten har varit väldigt bra, trots rötkammarens extremt höga innehåll av ammoniumkväve på mer än 6 g/l. Därför togs beslut att aktivt sänka ammoniumkvävehalten via vattenspädning direkt in i rötkammaren för att sänka halten till under 5,5 g/l. Under denna period låg rötkammarbelastningen stadigt kring 4 kg VS/m 3 &d och var som högst 4,5 kg VS/m 3 &d, se bild B1:5. Lika hög gasproduktion uppnåddes under februari 2009 men då var ammoniumhalten lägre, kring 5,3 g/l, se bild B1:5. Under denna avslutande period uppnåddes den högsta rötkammarbelastningen under hela 18-månadersperioden, från 4,0 upp till 6,9 kg VS/m 3 &d. Under denna period visade rötningsprocessen tydliga tecken på överbelastning som resulterade i en VFA-halt på närmare 8 g/l i rötkammaren, vilket var den högsta nivån som uppmättes under försöket, se bild B1:3. Beroende på den höga VFA-halten sänktes belastningen något under mars 2009 och varierade mellan 3 och 5,5 kg VS/m 3 &d, men biogasproduktionen låg kvar på nästan samma nivå som under februari. Tekniskt har anläggningen för rötning fungerat väl och har inte till någon större del bidragit till den varierade gasproduktionen. Dock har rötkammarens temperaturgivare visat fel vid två tillfällen (sept 2007 och jan 2008), vilket kan vara orsaken till vissa instabiliteter som inträffade i rötningsprocessen. Detta har medfört att belastningen sänkts under en kortare period, vilket resulterat i minskad gasproduktion. belastning, kg VS/dag och rågasproduktion, m3/dag 3000 2500 2000 1500 1000 500 rågasproduktion, m3/d belastning, kg VS/d Ratio rågasproduktion/vs, m3/kg 10 per. glidande medel 10 per. glid. med. (belastning, kg VS/d) 10 per. glid. med. (rågasproduktion, m3/d) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Ratio, rågasproduktion/belastning, m3/kg VS 0 0,0 2009-03-02 2009-01-31 2008-12-31 2008-12-01 2008-10-31 2008-10-01 2008-08-31 2008-08-01 2008-07-01 2008-06-01 2008-05-01 2008-04-01 2008-03-01 2008-01-31 2007-12-31 2007-12-01 2007-10-31 2007-10-01 Bild B1:1. Belastning, rågasproduktion och ratio mellan de två.